Ciemna materia

Głównym zadaniem astronomii jest zdobywanie informacji o podstawowych
obiektach astronomicznych – gwiazdach, galaktykach i gromadach galaktyk.
Podstawowym źródłem informacji o tych obiektach jest światło, które emitują.
Jednym z najważniejszych parametrów fizycznych charakteryzujących te
obiekty jest ich masa. Masę różnych obiektów astronomicznych można mierzyć,
korzystając z prawa powszechnego ciążenia Newtona. Ziemia cały czas spada
na Słońce. Mierząc przyspieszenie, z jakim porusza się Ziemia oraz znając
odległość między Ziemią i Słońcem można łatwo wyznaczyć masę Słońca.
W podobny sposób wyznacza się masy gwiazd, które tworzą układ podwójny.
Masy bardziej skomplikowanych obiektów – gromad kulistych oraz galaktyk
szacuje się na podstawie „ilości światła”, które emitują. Korzysta się przy tym
z następującego prostego rozumowania. Nasze Słońce jest dość typową gwiazdą.
Znamy jego masę M



i jego jasność (moc promieniowania) L



. Jeżeli jasność

jakiegoś obiektu astronomicznego złożonego z gwiazd wynosi L, to jego masa
w przybliżeniu wynosi M ≈ (L/L



)M



. W podobny sposób szacuje się masy

gromad galaktyk.

W 1933 roku Fritz Zwicky zmierzył prędkości kilkunastu
galaktyk w gromadzie galaktyk znajdującej się
w obszarze nieba zajmowanym przez gwiazdozbiór
Panny. Okazało się, że prędkości galaktyk są bardzo
duże i aby gromada mogła istnieć jako obiekt
grawitacyjnie związany, jej masa powinna być
kilkadziesiąt razy większa od sumy mas tworzących
ją galaktyk. Tak oto pojawił się problem „brakującej
masy”. Początkowo astronomowie nie traktowali tego
problemu poważnie, uważając, że pomiary Zwicky’ego
mogą być obarczone dużym błędem. Choć wyniki
Zwicky’ego potwierdzili inni badacze i stwierdzono,
że masy brakuje też w innych gromadach galaktyk,
problemem tym zainteresowano się dopiero w końcu
lat sześćdziesiątych, gdy zaczęto mierzyć prędkości,
z jakimi gwiazdy w galaktykach spiralnych okrążają
centrum galaktyki. Jasność galaktyk spiralnych jest
zdominowana przez centralną część galaktyki – jej
jądro, naturalnym było więc założenie, że skupiona
jest tam większość masy galaktyki. Gdyby tak było,
to podobnie jak planety w Układzie Słonecznym
gwiazdy znajdujące się coraz dalej od centrum
galaktyki powinny poruszać się coraz wolniej (trzecie
prawo Keplera). Z pomiarów wynikało natomiast,
że prędkości gwiazd nie maleją wraz z odległością.
Korzystając z tych danych można oszacować masę
galaktyki. Tak oszacowana masa galaktyki jest od kilku
do kilkudziesięciu razy większa od masy oszacowanej
na podstawie jej jasności. Z pomiarów prędkości gwiazd
w galaktykach eliptycznych wynika, że w nich też
brakuje masy.

W ciągu ostatnich kilkunastu lat pojawiły się nowe
argumenty świadczące o tym, że gromady galaktyk
zawierają bardzo dużo ciemnej materii. Dzięki
obserwacjom satelitarnym stwierdzono, że centralne
obszary gromad galaktyk zawierają bardzo gorący
gaz, który świeci głównie w promieniach Roentgena.
Gorący gaz jest tam utrzymywany przez odpowiednio
silne siły grawitacyjne, które świadczą o dużej masie
gromady. Masy kilku gromad galaktyk można było
oszacować korzystając ze zjawiska soczewkowania
grawitacyjnego. Wszystkie te metody prowadzą
do podobnego wniosku, że dla gromad galaktyk
M/L wynosi kilkaset, a dla galaktyk kilkadziesiąt.
Z drugiej strony z obserwacji rozpowszechnienia
lekkich pierwiastków, głównie deuteru, trytu i litu,
można wyznaczyć średnią gęstość standardowej materii
barionowej %

B

. W kosmologii przyjęto mierzyć gęstość

materii w jednostkach gęstości krytycznej %

kryt

, tzn.

średniej gęstości materii w płaskim wszechświecie,
który rozszerza się w takim samym tempie jak nasz.
Z obserwacji wynika, że W

B

= %

B

/%

kryt

= 0,04,

natomiast średnia gęstość materii we Wszechświecie
oceniana na podstawie mierzonych wartości M/L
wynosi W

m

= 0,27. Wnioski wynikające z porównania

tych dwóch liczb są szokujące. Okazuje się bowiem, że
znaczna część materii wypełniającej Wszechświat nie
tylko nie świeci, ale nie może być złożona ze znanych
cząstek. Pomimo wielu prób nie udało się dotychczas
odkryć cząstek, które tworzą ciemną materię. Odkrycie
tych cząstek otworzy przed nami nowy, zupełnie inny,
Wszechświat.

Marek DEMIAŃSKI

13